Ученые предлагают новый метод создания массива атомов для квантовых вычислений
 Схематическое изображение конструкции предлагаемой атомной ловушки. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Оптическая решетка – это сетка из пересекающихся между собой лазерных лучей. Такая «сетка» создает двумерный периодический массив стоячих волн, так что ультрахолодные атомы оказываются в минимумах поля этого шаблона. Атомы могут перемещаться из одного минимума в другой при помощи квантового тунеллирования. Подобная система вполне может моделировать явления в физике конденсированных сред, поскольку создаваемый таким образом массив подобен атомной кристаллической решетке. Но, к сожалению, поведение кристаллов обычно слишком сложно, чтобы моделировать его с помощью обычных компьютеров, поэтому оптическая решетка иногда используется в качестве квантового компьютера или «симулятора», который показывает явление напрямую.
В стандартной оптической решетке расстояние между атомами не может быть сделано много меньше, чем длина волны используемого излучения. Обычно это сотни нанометров. Но при сжатии атомов их взаимодействия проявляются сильнее, поэтому наблюдаемые эффекты были бы менее подвержены влиянию внешних помех. Кроме того, облегчается туннелирование, т.е. оно становится более частым. Таким образом, результат квантовой симуляции должен быть стабильнее и быстрее.
Чтобы создать условия, в которых атомы располагались бы гораздо ближе друг к другу, группа ученых из Institute of Quantum Optics and Quantum Information (Австрия) и их коллеги из Max Planck Institute for Quantum Optics (Германия) предложили использовать магнитные поля. Свой теоретический эксперимент они начали с представления листа толщиной в несколько нанометров, сделанного из сверхпроводника второго рода. Внешнее магнитное поле будет проникать в такой материал только в виде так называемых вихрей, которые проходят через него в виде нескольких изолированных локаций. Требуемую модель подобных вихрей исследователи могут создать путем «прокалывания» листа (формирования отверстий 10 нм шириной, фиксирующих вихри в определенном месте, даже после отключения внешнего поля). Интенсивность поля с противоположной стороны листа будет варьироваться в горизонтальной плоскости, причем, эти вариации будут отражать расположение вихрей. Атомы с ненулевым магнитным моментом в этом поле будут двигаться горизонтально к местам с меньшей интенсивностью поля.
В направлении от плоскости, однако, поле будет уменьшаться, так что атомы будут просто дрейфовать вверх. Чтобы создать полноценную атомную ловушку, команда предполагает наложить на систему дополнительное однородное поле противоположного направления (такое, чтобы его величины было достаточно для удержания атомов, но не достаточно для создания дополнительных вихрей). В итоге атомы будут располагаться в точках, где поле переходит через ноль. А чтобы избежать фиксации магнитной ориентации атома, ученые предполагают использовать дополнительное меняющееся во времени горизонтальное магнитное поле.
Как утверждают ученые, предложенная ими структура является точным аналогом оптической атомной решетки в лазерной ловушке. Магнитное поле, по сути, создает ту же модель максимумов и минимумов энергии, которые могут фиксировать атомы, позволяя им туннелировать из одной «ловушки» в другую. Но при этом структура обладает дополнительными возможностями. Во-первых, она потенциально может повысить производительность квантовых компьютеров. Кроме того, возможность выбора расположения квантовых ловушек дает ученым инструмент для манипулирования свойствами решетки, что, вероятно, приведет к наблюдению новых моделей поведения холодных атомов в подобных структурах.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Ломаем стереотипы: ядра атомов в форме стержня
- Лазер поможет «ловить» отдельные атомы
- Наноразмерный зонд позволит биологам обнаруживать единичные атомы
- Новая химическая связь
- Одиночные атомы дают более жесткую связь, чем группа
Источники: